Le procédé de friture est une filière innovante, tant au plan énergétique puisqu’elle permet de produire un combustible solide à haut pouvoir calorifique, qu’au plan environnemental et sanitaire.
Ce mémoire a rassemblé des travaux multidisciplinaires relatifs à la valorisation de boues humides par le procédé de friture, en abordant la modélisation des transferts de matière et de chaleur, étape nécessaire dans la démarche de conception d’un procédé, le comportement du procédé vis à vis à la destruction des germes pathogènes et en fournissant quelques éléments de base sur les émissions atmosphériques et leurs impacts environnementaux. Ces éléments vont être indispensables pour l’analyse de cycle de vie du procédé et particulièrement dans la phase d’inventaires des émissions. Les deux premiers chapitres du mémoire ont rendu compte de la description des mécanismes de transferts de matière et de chaleur et de la modélisation du procédé de friture.
Le premier chapitre a introduit le concept général de la friture et décrit également les différents mécanismes de transport de matière. Deux modèles ont été proposés pour décrire la cinétique de séchage et la cinétique d’imprégnation d’huile. La ciné- tique de séchage (variation de l’humidité du produit), obtenue à partir de mesures expérimentales de la perte d’eau pendant la friture à des températures variant entre 110˚C et 140˚C est décrite par un modèle de diffusion. Le coefficient de diffusion de l’eau dans le solide est défini en fonction de la température d’huile et l’humidité initiale du produit. L’estimation des paramètres du modèle est menée par program- mation non-linéaire et un ajustement avec les données expérimentales. Les valeurs calculées du coefficient de diffusion varient entre 4.79 jusqu’à 20.5 m2s−1. Le second modèle décrit l’évolution de l’imprégnation d’huile pendant la friture. Ce modèle est obtenu en supposant que la perte d’eau conduit à la formation de vides qui sont rem- placés par l’huile. Il ressort de cette étude que le pouvoir calorifique inférieur varie en fonction de la teneur en eau et de l’imprégnation d’huile selon une loi simple. Le procédé permet de porter le pouvoir calorifique inférieur de 6 MJ/kg jusqu’à 24 MJ/kg. De ce fait, les boues frites présentent un intérêt important en combustion.
Le deuxième chapitre a mis en évidence les échanges d’énergie entre la boue et le bain de friture par un bilan global d’énergie en supposant sa température homo- gène. Les flux de chaleur considérés sont : le taux de variation de l’énergie interne dans les boues frites, le flux de chaleur évaporatoire, le flux de chaleur convectif à
l’interface du produit avec les huiles de friture, et l’apport de chaleur par advection suite à l’imprégnation des huiles dans la matrice poreuse du produit. La méthode de détermination du coefficient de convection a été effectuée par mesure de température et calcul de la cinétique de friture sur des échantillons de boue cylindrique de faible diamètre (4-12 mm). Les valeurs maximales du coefficient de convection varient entre 900et 1700 W m−2K−1. Les valeurs minimales sont observées au début et à la fin du procédé (100-200 W m−2K−1). L’échange convectif à l’interface solide-huile dépend du régime hydrodynamique des huiles de friture autour du produit. Trois régimes peuvent être considérés : régime sans ébullition, régime avec ébullition, et régime avec un faible flux de vaporisation. L’étude a montré que l’échange convectif peut être présenté par une corrélation adimensionnelle par l’intermédiaire d’une relation linéaire qui groupe : le flux de vaporisation normalisé, les caractéristiques thermiques d’huile, et la géométrie de boues.
Le troisième chapitre a exposé les problèmes d’hygiène des boues d’épuration. Dans ce contexte, une étude sur la destruction thermique des micro-organismes est présentée. Tout d’abord, le chapitre introduit une analyse bibliographique sur les risques sanitaires portant sur :
– les différents groupes pathogènes (virus, bactérie, parasites, champignon) ; – le nombre d’occurrence des micro-organismes issu de différentes saltations
d’épuration ;
– et un modèle de calcul de la cinétique de destruction des micro-organismes par voie thermique.
Les données de la température pour chaque procédé sont nécessaires pour analyser la cinétique de destruction thermique des pathogènes.
L’outil développé pour l’étude de la friture est une maquette de laboratoire consti- tuée d’un réacteur en double enveloppe, une pompe à vide, et un système d’acquisi- tion de température. Les conditions de friture ont été choisies afin de fonctionner sous vide (0.6 bar de pression, 95˚C en température, 10 ml de boues/400 ml d’huiles). Cette méthodologie a été également appliquée à trois autres procédés de séchage conven- tionnel : le séchage conductif par agitation, le séchage convectif sur une fine couche de boues en ébullition, et le séchage solaire. Il en ressort que le procédé de friture sous vide permet de produire un combustible solide hygiénisé après friture pendant une durée d’au moins au moins 10 min et pour une température d’ébullition de 80˚C. Le quatrième chapitre esquisse une étude des émissions atmosphérique lors de la combustion des boues frites. L’étude a porté essentiellement sur l’identification et la
quantification de 16 molécules d’hydrocarbures aromatiques polycyclique. Ces molé- cules sont classées prioritaires par l’EPA compte tenu de leur caractère cancérigène. Ce chapitre incluse une partie bibliographique sur les hydrocarbures incluant leurs caractéristiques physico-chimiques, leur impact cancérigène et leur distribution en phase gazeuse et particulaire. L’étude bibliographique porte aussi sur les différents paramètres de combustions qui influencent la formation de ces polluants, notamment l’impact de la température de combustion, la composition de l’air de combustion et l’influence de l’adjonction de certains additifs chimiques aux combustibles. Les expé- riences de combustion sont réalisées dans un four tubulaire porté à 850˚C. En ce qui concerne l’analyse de HAP (Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques), un protocole analytique est proposé. La chaine d’analyse comporte un protocole de prélèvement, d’extraction, et de dosage de HAP. Le dosage et la quantification des molécules sont réalisés dans un chromatographe en phase gazeuse complété par une spectrométrie de masse. Plusieurs biomasses d’origines forestière, industrielle et fossile ont été étudiées parallèlement à la boue frite : boues sèches, huiles usagées, bois et schiste bitumineux. Il ressort de cette étude que les taux d’émissions les plus élevés trouvent leur origine dans la substance huileuse contenue dans les combustibles à savoir les huiles alimen- taires usagées, les déchets de boues huileuses et les boues frites. Les émissions issues de la combustion des boues sèches, de schiste bitumineux, de chêne et de hêtre sont globalement dans le même ordre de grandeurs et relativement faibles.
6.2
Perspectives
L’extension de ce type de procédé à d’autres biomasses humides, représente la principale perspective de ce travail. Le recours aux biomasses est considéré comme un élément essentiel d’une politique énergétique responsable, permettant de réduire la dépendance à l’égard des combustibles fossiles, de diminuer les émissions de gaz à effet de serre et de dissocier les coûts de l’énergie des prix des fossiles. Outre les boues de stations d’épuration urbaine ou industrielle, il existe d’autres déchets or- ganiques produits par les entreprises agroalimentaires telles que les déchets d’abat- toir, conserves, protéines, les graisses. . . . Avec le renforcement des textes de loi
1774/2002/CE, l’exploitation de ces déchets pour la valorisation matière ou pour l’ali-
mentation devient interdite.
Etant donné le risque sanitaire que pourrait entrainer ces déchets pendant leurs transports ou leur stockage, ces déchets doivent être rapidement désinfectés. Ce type de déchets peut être transformé par le procédé de friture en un combustible solide à fort pouvoir calorifique, hygiènisé, stockable, et transportable sans risque.
Ce mémoire fournit les éléments de base pour évaluer la performance énergétique et environnementale du procédé.
Dans un premier temps, il faudra établir le lien entre les résultats de modélisa- tion des transferts de matière et de chaleur pour calculer la demande d’énergie du procédé. Cette perspective peut être effectuée dans le cadre d’une étude comparative avec un procédé de référence tel que le séchage conventionnel par l’air préchauffé. La conception du procédé permet de considérer plusieurs alternatives énergétiques. Le concept de base est organisé dans deux enceintes successives, à savoir, un réacteur de friture à contact direct avec l’huile caloporteur, suivi d’un séparateur solide-liquide. Comme alternative énergétique, le procédé peut être combiné avec un cycle à com- pression mécanique de vapeur CMV. L’idée consiste à relever le niveau enthalpique de la vapeur issue du réacteur de friture et à l’utiliser directement dans un échangeur thermique pour relever la température des huiles de friture. Une seconde améliora- tion peut être envisagée. Un échangeur de chaleur peut être ajouté dans le but de préchauffer la biomasse brute en augmentant sa température de quelques dizaines de degrés avant de l’introduire dans le réacteur de friture. Le procédé de friture offre donc un bénéfice énergétique. Ces avantages ont été évalués parPeregrina et al.(2008)
à pression atmosphérique, mais une modélisation du procédé à basse température et à basse pression est indispensable.
Dans un deuxième temps, il sera nécessaire de disposer d’une étude qui reven- dique les points forts et les points faibles du procédé de friture en termes d’impacts environnementaux. L’analyse de cycle de vie est une technique comptable des impacts sur l’environnement. Le but sera de quantifier les échanges de matière et d’énergie tout le long de la transformation de la biomasse brute en combustible solide, et en- suite tout le long de son utilisation comme combustible industriel. Comme il s’agit d’une technologie totalement différente, le procédé de friture doit être clairement dé- fini pour en faciliter la comparaison avec un procédé de référence. Conformément à la norme ISO 14040 tous les systèmes à comparer y compris le scénario de référence doivent avoir la même unité fonctionnelle :
– valoriser la même quantité de boue ;
– et valoriser la même quantité d’huile usagée.
Parmi les critères à considérer lors de l’ACV, il y a la cohérence entre le procédé de friture et le procédé de référence. Dans le cas où le séchage conventionnel sera choisi comme procédé de référence, il faut affecter au champ d’étude une filière de valorisation ou d’élimination des huiles usagées. Parmi les filières à considérer :
– la régénération par distillation sous vide et finition à l’argile ; – régénération par contact direct à l’hydrogène ;
– valorisation énergétique en centrale d’enrobage ; – recyclage en raffinerie.
La filière de valorisation énergétique de boues frites devrait être prise en compte. La filière « combustion » comporte une large base de données incluant la valorisation en cimenterie ou le chauffage urbain. Finalement, afin d’aboutir à une ACV signi- ficative, il est indispensable d’étudier plusieurs indicateur environnementaux, telle que la santé humaine, l’écotoxité, la consommation des ressources planétaires et le changement climatique.
a, b, c, d, e Coefficients de corrélation
C Matrice de covariance
Cal Valeur calculée
Cp Capacité calorifique massique Jkg−1k−1
D Coefficient de diffusion m2s−1
Exp Valeur expérimentale
FET Facteur d’équivalent toxique
h Coefficient de convection Wm−2k−1
H Enthalpie Jkg−1
IC Intervalle de confiance
it Nombre d’itérations
ko,w Coefficient de partage octanol-eau
kp Coefficient de partition
M Teneur en eau locale kg eau / kg de boue f rite
m Masse moyenne kg
N Population des micro-organismes
n Nombre de points expérimentaux
n1 Nombre de courbes de friture
n2 Nombre de points expérimentaux pour une courbe de friture
O Teneur en huile locale kg huile / kg de boue f rite
Ob fonction objective
PCS Pouvoir calorifique inférieur MJ/kg
PCS Pouvoir calorifique supérieur MJ/kg
R Demi-épaisseur de particules m
r Rayon de particules m
RMS Valeur du racine des résiduels par somme moyenne
z Coefficient de résistance thermique d’un micro-organisme
S Surface m2 T Température ˚C t Temps s t ν,ξ 2 Valeur de Student TSP Concentration particulaire µg/m3 v Volume m3
∆Hv Chaleur latente de vaporisation MJ/kg
thermique volumétrique k−1 λ Conductivité thermique Wm−2k−1 ν Viscosité cinématique m2s−1 ρ Masse volumique kgm−3 τ Taux d’émission µg/g Indices 0 Valeur initiale c Valeur critique eq Équilibre g gaz max Maximum min Minimum o Huile p Phase particulaire s Solide
sur Surface du produit
TEQ Teneur en équivalent toxique
w Eau liquide ∞ Huile chauffante Nombre adimensionnel Gr Nombre de Grashof Nu Nombre de Nusselt Pr nombre de Prandtl Ra Nombre de Rayleigh
ξ Flux évaporatoire normalisé
h. . .i moyenne sur volume
[. . .] Fraction massique µg/ml
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